Nam châm từ lâu đã trở thành một phần không thể thiếu trong cấu trúc vận hành của thế giới hiện đại. Từ những linh kiện vi mô trong điện thoại thông minh, máy tính, đến các thiết bị gia dụng hay hệ thống chuông báo học đường, sự hiện diện của từ trường là nền tảng cho sự chuyển động và truyền dẫn thông tin.
Tuy nhiên, trong lĩnh vực khoa học chuyên sâu, việc tạo ra từ trường cường độ cao vốn là bài toán nan giải về mặt không gian và năng lượng. Những hệ thống nam châm mạnh nhất thế giới thường là các tổ hợp máy móc đồ sộ, chiếm diện tích lớn và ngốn một lượng điện năng khổng lồ để duy trì hoạt động.
Theo báo cáo nghiên cứu mới nhất được đăng tải trên tạp chí Science Advances, một bước tiến đột phá đã được thực hiện khi các nhà khoa học chế tạo thành công hai mẫu nam châm thu nhỏ sử dụng vật liệu siêu dẫn nhiệt độ cao (HTS). Bí mật nằm ở việc sử dụng băng dẫn phủ oxit đồng bari đất hiếm (REBCO) để quấn các cuộn dây siêu dẫn. Kết quả thực nghiệm cho thấy, cấu hình sử dụng hai cuộn dây dạng đĩa đã đạt mức 38 tesla, trong khi cấu hình bốn cuộn dây đẩy cường độ lên tới 42 tesla.
Để hình dung rõ hơn về sức mạnh của thiết bị tí hon này, cần so sánh với những cột mốc kỷ lục hiện tại. Hiện nay, nam châm trạng thái ổn định mạnh nhất thế giới đặt tại Phòng thí nghiệm Từ trường Quốc gia Hoa Kỳ đạt ngưỡng 45,5 tesla, nhưng đó là một hệ thống hybrid cồng kềnh. Trong khi đó, kỷ lục nam châm điện trở mạnh nhất thế giới thuộc về một thiết bị tại Trung Quốc với cường độ 42,02 tesla. Việc một thiết bị nhỏ gọn có thể đạt tới ngưỡng 42 tesla đã thực sự làm thay đổi tư duy truyền thống về thiết kế máy móc từ học.
Các tác giả của công trình nghiên cứu nhấn mạnh rằng, điểm khác biệt cốt lõi không chỉ nằm ở sức mạnh mà còn ở hiệu suất vận hành. Bất chấp mật độ dòng điện cao, loại nam châm mới này tiêu thụ điện năng ít hơn vài nghìn lần so với các hệ thống cũ. Đặc biệt, thể tích cuộn dây của nó nhỏ hơn 1.000 lần so với nam châm hybrid 45,5 T danh tiếng. Đây là một con số gây sốc đối với giới kỹ thuật, hứa hẹn giảm thiểu đáng kể chi phí vận hành và lắp đặt cho các cơ sở nghiên cứu.
Xét về mặt tương quan với tự nhiên, từ trường của Trái Đất vốn chỉ dao động trong khoảng 25 đến 64 microtesla. Điều này đồng nghĩa với việc chiếc nam châm cầm tay này mạnh hơn toàn bộ từ trường của hành tinh chúng ta khoảng một triệu lần. Dù có kích thước đủ nhỏ để nằm gọn trong lòng bàn tay, việc sử dụng nó đòi hỏi các quy trình bảo hộ cực kỳ khắt khe.
Đầu tiên, cường độ từ trường này vượt xa giới hạn an toàn do Cục quản lý Thực phẩm và Dược phẩm Hoa Kỳ (FDA) quy định cho các thiết bị y tế như máy chụp cộng hưởng từ (MRI). Thông thường, các máy MRI bệnh viện chỉ hoạt động ở mức 3 hoặc 4 tesla. Thứ hai, vấn đề nhiệt độ là một thách thức lớn. Dù vật liệu được gọi là siêu dẫn "nhiệt độ cao", nhưng thực tế chúng vẫn phải vận hành ở mức nhiệt cực thấp, dưới -195 độ C (-320 độ F).
Mở rộng góc nhìn về giới hạn của từ trường, con người từng tạo ra những xung từ trường lên tới 1.200 tesla. Tuy nhiên, cái giá phải trả cho sức mạnh đó là sự hủy diệt; thiết bị này đã phá hủy hoàn toàn phòng thí nghiệm ngay khi vừa kích hoạt. Trong tự nhiên, những thực thể mang tên sao nam châm (magnetar) còn sở hữu quyền năng kinh khủng hơn với từ trường từ 10 đến 100 tỷ tesla. Một ngôi sao nam châm ở khoảng cách giữa Trái Đất và Mặt Trăng có thể ngay lập tức xóa sạch mọi dữ liệu từ tính trên hành tinh và tác động trực tiếp đến cấu trúc nguyên tử của cơ thể người.
Sự xuất hiện của công nghệ nam châm HTS thu nhỏ không chỉ là một kỷ lục về mặt con số, mà là minh chứng cho khả năng tối ưu hóa công nghệ siêu dẫn. Với khả năng tạo ra từ trường cực mạnh trong một không gian hạn chế và mức tiêu thụ năng lượng thấp, thiết bị này được kỳ vọng sẽ ứng dụng rộng rãi trong các máy gia tốc hạt thế hệ mới, thiết bị chẩn đoán y khoa cao cấp và các nghiên cứu vật lý lượng tử trong tương lai gần.
Đức Khương
